斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系研究

1、文章編號(hào):1003-4722(200204-0001-04斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系研究葉愛君,胡世德,范立礎(chǔ)(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,上海200092摘要:從抗震設(shè)計(jì)角度對(duì)斜拉橋的各種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析比較。著重對(duì)一種比較適合大跨度斜拉橋的抗震結(jié)構(gòu)體系,即塔、梁彈性約束體系進(jìn)行了分析研究,建議了彈性約束剛度的取值原則及范圍,并介紹了幾種實(shí)現(xiàn)塔、梁彈性約束的構(gòu)造措施。最后,舉例說明斜拉橋方案設(shè)計(jì)中抗震結(jié)構(gòu)體系的比選。關(guān)鍵詞:斜拉橋;抗震設(shè)計(jì);性能比較;彈性約束剛度中圖分類號(hào):U442.5+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AR esearch on Aseism atic Structural System of C abl

2、e 2stayed B ridgeYE Ai 2jun ,HU Shi 2de ,FAN Li 2chu(Department of Bridge Engineering ,T ongji University ,Shanghai 200092,China Abstract :According to the aspect of the aseismatic design ,several structural systems of cable 2stayed bridge were analyzed and com pared.A s ort of aseismatic structural

3、 system of cable 2stayed bridge was especially em phasized in the thesis ,which is a s ort of elastic restriction structural system com posed of towers and beams.S ome advice about the principle and range of the elastic constraint stiffness value were brought forward.Als o ,several structural method

4、s were carried out ,which could lead to the combinatorial elastic restriction systems.In the end ,based on an exam ple ,the selection of the aseismatic structural system of cable 2stayed bridge was elaborated.K ey w ords :cable 2stayed bridge ;aseismatic design ;performance com paris on ;elastic con

5、straint stiffness收稿日期:2002-01-25作者簡(jiǎn)介:葉愛君(1970-,女,副教授,1998年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè),獲博士學(xué)位。1概述斜拉橋由橋塔、橋面系、斜拉索、邊墩(錨固墩、輔助墩和支撐連接裝置組成(支座等。斜拉橋的大部分質(zhì)量集中在橋面系,因而,地震慣性力也主要集中在橋面系。橋面系的地震慣性力通過斜拉索和支座傳遞給橋塔、邊墩,再由橋塔、邊墩傳遞給基礎(chǔ),進(jìn)而傳遞給地基承受。在工程界,斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系一般是根據(jù)梁、塔、索的結(jié)合方式來劃分的。梁、塔、索的結(jié)合方式不同,則橋面系的地震慣性力的傳遞方式不同,因此地震反應(yīng)也將大不相同。從抗震設(shè)計(jì)的角度來看,雙塔三跨斜拉

6、橋的結(jié)構(gòu)體系大致可分成四類:全漂浮體系或半漂浮體系:塔、梁分離,塔與梁之間設(shè)0號(hào)索或滑動(dòng)鉸支承;塔、梁固結(jié)體系或塔、梁固定鉸支承體系;塔、梁不對(duì)稱約束體系:塔、梁分離,一個(gè)塔與梁之間采用固定鉸支承,另一個(gè)塔與梁之間采用滑動(dòng)鉸支承;塔、梁彈性約束體系:塔、梁分離,塔與梁之間除設(shè)滑動(dòng)鉸支承外,還增設(shè)縱向彈性約束裝置或構(gòu)件。斜拉橋的整體抗震性能主要取決于所選用的結(jié)構(gòu)體系。因此,對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析研究,從中選用抗震性能較好的結(jié)構(gòu)體系,在斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)中是非常關(guān)鍵的一步。2各種結(jié)構(gòu)體系斜拉橋的抗震性能比較斜拉橋的整體抗震性能一般從兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià),即內(nèi)力和位移1。在地震作用下,斜拉橋的內(nèi)力和位移都

7、是越小越好。但這兩個(gè)方面往往是相互矛盾的。要使得內(nèi)力反應(yīng)小,往往要付出較大位移的代價(jià),反之也一樣。如圖12所示,結(jié)構(gòu)的周期越長(zhǎng),則加速度越小,因而內(nèi)力也越小。不同的結(jié)構(gòu)體系,梁、塔、索的結(jié)合方式不同,則體系的剛度也不同。體系的剛度越小,則周期越長(zhǎng),加速度越小,而位移卻越大。 圖1規(guī)范四類場(chǎng)地反應(yīng)譜(長(zhǎng)周期部分按1T 1.5衰減(1全漂浮體系或半漂浮體系全漂浮體系或半漂浮體系的塔、梁分離,全漂浮體系的塔與梁之間僅通過0號(hào)索支承,而半漂浮體系的塔與梁之間設(shè)滑動(dòng)鉸支承。與其它體系相比,全漂浮體系或半漂浮體系的縱橋向剛度最小,周期最長(zhǎng),因此在地震作用下的位移反應(yīng)最大,但塔柱的內(nèi)力反應(yīng)最小。當(dāng)斜拉橋的跨

8、度不大時(shí),橋梁的整體剛度相對(duì)較大,位移還不成問題,主要是內(nèi)力控制設(shè)計(jì),這時(shí),采用全漂浮體系或半漂浮體系顯然是明智的選擇,特別是在烈度較高的地區(qū)。而隨著斜拉橋跨度的增大,位移的矛盾逐漸突出,全漂浮體系或半漂浮體系就越來越不適合了。對(duì)于跨度近1000m 的超大跨度斜拉橋,全漂浮體系或半漂浮體系將會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的位移,應(yīng)避免采用。(2塔、梁固結(jié)體系或塔、梁固定鉸支承體系與全漂浮體系或半漂浮體系正好相反,塔、梁固結(jié)體系或塔、梁固定鉸支承體系的縱橋向剛度最大,周期最短,因此在地震作用下位移反應(yīng)最小,但是所導(dǎo)致的塔柱內(nèi)力反應(yīng)最大。另一方面,對(duì)于大跨度的斜拉橋,由溫度引起的塔柱內(nèi)力也相當(dāng)大。因此,這兩種體系一

9、般不宜采用,尤其在烈度較高的地區(qū)要避免采用。(3塔、梁不對(duì)稱約束體系塔、梁不對(duì)稱約束體系中,一個(gè)塔與梁之間采用固定鉸支承,另一個(gè)塔與梁之間采用滑動(dòng)鉸支承。這種體系的縱橋向剛度也較大,位移較小。問題主要是,兩塔與梁的不對(duì)稱約束造成慣性力傳遞的極不均勻,從而使兩塔的地震反應(yīng)內(nèi)力相差懸殊,甚至?xí)袔妆兜牟罹?。但是另一方?斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都是對(duì)稱的,即兩塔采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此,不對(duì)稱約束體系不利于兩塔抗震能力的充分發(fā)揮,不是一種理想的抗震結(jié)構(gòu)體系,在烈度較高的地區(qū),應(yīng)避免采用。(4塔、梁彈性約束體系塔、梁彈性約束體系是半漂浮體系和塔、梁固定鉸支承體系的一個(gè)折中方案,試圖在橋梁的位移和內(nèi)力之間

10、進(jìn)行協(xié)調(diào)。在地震作用下,通過選用適當(dāng)?shù)膹椥约s束剛度,塔、梁彈性約束體系能夠兼顧橋梁的強(qiáng)度和變形能力,應(yīng)該說是一種比較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系。3塔、梁彈性約束體系研究由上述分析可知,對(duì)于大跨度的斜拉橋,塔、梁彈性約束體系是一種比較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系。實(shí)現(xiàn)這一體系的關(guān)鍵,在于如何選用合適的彈性約束剛度,以及如何在結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)彈性約束。3.1彈性約束剛度的確定在塔、梁彈性約束體系中,彈性約束剛度的取值對(duì)橋梁整體抗震性能有著直接的影響,因此很有必要進(jìn)行深入研究。很顯然,隨著彈性約束剛度的增大,體系的整體剛度增大,周期減小,因此橋梁的位移減小。另一方面,橋面系的水平慣性力隨著彈性約束剛度的增大而增大,從而傳遞

11、到塔柱的慣性力也增大,因此塔底截面的剪力將增大。至于塔底截面的彎矩,還與慣性力的傳遞途徑及其力臂有關(guān),因此變化規(guī)律比較復(fù)雜。如圖2所示,在地震作用下,橋面系的水平慣性力P 0通過斜拉索和塔梁彈性約束裝置傳遞到主塔,假定兩種路徑傳遞的慣性力分別為P 1和P 2,并定義=P 1P 0。則塔底彎矩可近似表達(dá)為:M =P 1h 1+P 2h 2=P 0h 1+(1-P 0h 2=P 0h 2+P 0(h 1-h 2(1式中,h 1為通過斜拉索傳遞的慣性力的力臂;h 2為通過塔梁彈性約束裝置傳遞的慣性力的力臂,且有h 1>h 2。隨著塔梁彈性約束剛度的增大,P 0逐漸增大,而逐漸減小。因此,由式(

12、1可知:M 不是單調(diào)遞圖2橋面系慣性力的傳遞示意增函數(shù),而將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低谷。下面以福建閩江大橋和南京長(zhǎng)江二橋南汊主橋(主要參數(shù)見表1為例進(jìn)行分析。地震反應(yīng)分析中所采用的反應(yīng)譜見圖3,分別沿縱橋向(系數(shù)為1.0和豎向(系數(shù)為23同時(shí)輸入。表1兩座斜拉橋的主要參數(shù)參數(shù)閩江橋南京長(zhǎng)江二橋跨徑組合m 40+250+605+250+4058.5+246.5+628+246.5+58.7塔型A倒Y 橋?qū)抦2933.6主梁材料疊合梁鋼梁梁高m 2.5 3.5索面雙雙 漂浮體系基頻H z0.09470.0757圖3反應(yīng)譜曲線在兩座斜拉橋的塔、梁連接處,不斷改變縱橋向約束剛度(1.0×10-10、1.

13、0×103、5.0×103、1.0×104、5.0×104、1.0×105、1.0×1010kNm,并進(jìn)行了一系列地震反應(yīng)分析。圖47分別顯示了兩座斜拉橋塔頂位移、梁端位移、塔底剪力和塔底彎矩隨彈性約束剛度的變化情況。從圖47中可以看出:(1隨著塔梁彈性約束剛度的增大,塔頂和梁端的位移很快減小。而且,塔頂和梁端的位移不論是變化規(guī)律還是數(shù)量都很接近。(2隨著塔梁彈性約束剛度的增大,塔底剪力圖4彈性約束剛度K對(duì)塔頂位移的影響圖5彈性約束剛度K對(duì)梁端位移的影響圖6彈性約束剛度K對(duì)塔底剪力的影響圖7彈性約束剛度K對(duì)塔底彎矩的影響不斷增大,然而

14、在一定范圍內(nèi)變化不大。(3隨著塔梁彈性約束剛度的增大,塔底彎矩總體上不斷增大,但有一個(gè)小低谷出現(xiàn)。從圖47還可以看出,在一定的剛度范圍內(nèi)(如圖例中為1.0×1031.0×105kNm,塔柱的內(nèi)力反應(yīng)變化不大,而塔頂和梁端的位移反應(yīng)卻變化相當(dāng)大。因此,在實(shí)際工程中,可主要從位移要求出 發(fā)來決定是偏大還是偏小進(jìn)行取值。一般來說,對(duì)于大跨度的斜拉橋,彈性約束剛度可取1.0×105kNm作為參考值。3.2實(shí)現(xiàn)彈性約束的構(gòu)造措施實(shí)施塔、梁彈性約束可以采用多種構(gòu)造措施,其中比較簡(jiǎn)單的為斜索構(gòu)造和橡膠裝置。我國(guó)石橋是一座主跨518m的混合式斜拉橋,為了實(shí)現(xiàn)塔、梁彈性約束,在主塔

15、的兩側(cè)各設(shè)置了1根長(zhǎng)54m,由55股7<5高強(qiáng)鋼絲組成的鋼絞線,一端固定在主塔下橫梁上,另一端固定在主梁上。而世界上跨度最大的斜拉橋,主跨890m的日本多多羅橋,則采用剪切型橡膠裝置來實(shí)現(xiàn)塔、梁彈性約束1。另外,大尺寸鉛芯支座和液壓緩沖設(shè)備也是非常值得考慮的方案。鉛芯支座具有較好的減震效果,而且在正常使用條件下,由溫度、收縮、徐變等變形引起的抗力很小3。液壓緩沖設(shè)備也可以做到同樣的效果,如丹麥大海帶(the G reat Belt East大橋上就安裝了這種緩沖器。4斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系比選實(shí)例某一橋梁設(shè)計(jì)方案為主跨1088m的雙塔雙索面鋼斜拉橋,跨徑布置為(100+100+278+108

16、8+ 278+100+100m。索塔為鋼筋混凝土塔,塔高為280m。主梁高4m,寬37m,采用封閉扁平流線型鋼箱梁。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí),考慮了4種結(jié)構(gòu)體系,即塔、梁不對(duì)稱約束體系(左塔處設(shè)固定鉸支座,右塔處設(shè)滑動(dòng)鉸支座,半漂浮體系,塔、梁固定鉸支承體系,塔、梁彈性約束體系(彈性約束剛度取1.0×105 kNm。采用圖1所示的反應(yīng)譜分別沿縱橋向和豎向同時(shí)輸入(水平地震加速度峰值取為0.17g,豎向取為水平向的23倍,對(duì)4種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了地震反應(yīng)分析。反應(yīng)結(jié)果比較分別見表2和表3,表中各體系的反應(yīng)均以半漂浮體系的倍數(shù)來表示。表2和表3的數(shù)據(jù)表明,半漂浮體系的內(nèi)力較小,但位移相當(dāng)大;固定鉸支

17、承體系和不對(duì)稱約束體系的位移都較小,但從受力上看相當(dāng)不利,特別是不對(duì)稱約束體系;總體上看,彈性約束體系是最為理想的。這一結(jié)果和前述的觀點(diǎn)是一致的。根據(jù)分析比較,該斜拉橋方案最終選擇了塔、梁彈性約束體系。表24種結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力反應(yīng)比較結(jié)構(gòu)體系左塔底右塔底軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩半漂浮 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00固定鉸支承 1.13 1.78 1.05 1.13 1.78 1.05不對(duì)稱約束 1.04 2.77 1.57 1.03 1.040.68彈性約束 1.02 1.390.85 1.02 1.390.85注:半漂浮體系的塔底軸力為4.036×104k

18、N,剪力為1.419×104kN,彎矩為1.490×106kNm。表34種結(jié)構(gòu)體系的位移反應(yīng)比較結(jié)構(gòu)體系梁端位移塔頂位移左右左右半漂浮 1.00 1.00 1.00 1.00固定鉸支承0.050.050.090.09不對(duì)稱約束0.060.100.110.14彈性約束0.170.170.230.23注:半漂浮體系的梁端位移為1.92m,塔頂位移為2.06m。5結(jié)論通過以上分析,可以得到如下結(jié)論:(1塔、梁不對(duì)稱約束體系不利于兩塔抗震能力的充分發(fā)揮,一般應(yīng)避免采用。(2塔、梁固結(jié)體系或塔、梁固定鉸支承體系將會(huì)導(dǎo)致較大的內(nèi)力,一般不宜采用。(3當(dāng)斜拉橋的跨度不是很大時(shí),主要由內(nèi)力控制設(shè)計(jì),全漂浮體系或半漂浮體系比較適合;但當(dāng)跨度很大時(shí),如近1000m跨度的超大跨度斜拉橋,則該類體系就不宜采用。(4對(duì)于大跨度斜拉橋,塔、梁彈性約束體系能夠兼顧橋